【導讀】AR（Augmented Reality）即增強現實(shí)，也就是在現實(shí)環(huán)境中加入虛擬內容顯示。VR（Virtual Reality）即虛擬現實(shí)，指的是完全模擬一個(gè)虛構的環(huán)境。而將AR的擴充實(shí)境和VR的虛擬實(shí)境相混合的場(chǎng)景，則可稱(chēng)為MR（Mixed Reality）。
AR/VR的應用
當AR/VR技術(shù)出現的時(shí)候，人們自然地將其和游戲掛了鉤。通過(guò)對于虛擬世界的打造和與現實(shí)物理世界的融合，AR/VR技術(shù)能夠帶來(lái)更為沉浸的游戲體驗。
然而，在游戲設備上的市場(chǎng)開(kāi)拓存在諸多的難點(diǎn)，對于設備的功耗、體積以及內容生態(tài)的要求都極為苛刻。但在工業(yè)、教育、醫療等多個(gè)領(lǐng)域，對于設備形態(tài)、功耗的要求并沒(méi)有那么高，對于垂直應用的生態(tài)打造也更為簡(jiǎn)單。尤其是在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域，AR/VR設備正在打開(kāi)局面，真正實(shí)現生產(chǎn)力的提升。
AR/VR和工業(yè)應用緊密結合，實(shí)現生產(chǎn)效率提升
AR（Augmented Reality）即增強現實(shí)，也就是在現實(shí)環(huán)境中加入虛擬內容顯示。VR（Virtual Reality）即虛擬現實(shí)，指的是完全模擬一個(gè)虛構的環(huán)境。而將AR的擴充實(shí)境和VR的虛擬實(shí)境相混合的場(chǎng)景，則可稱(chēng)為MR（Mixed Reality）。
在工業(yè)場(chǎng)景中，AR/VR這項技術(shù)已經(jīng)在各類(lèi)應用中開(kāi)始發(fā)揮潛能。
首先在設計和原型制作方面，VR可以直接展示產(chǎn)品的外觀(guān)，而無(wú)需創(chuàng )建真實(shí)的物理原型。這大幅減少了產(chǎn)品設計和審核所花費的時(shí)間，同時(shí)還可以方便多名設計者同時(shí)在同一個(gè)項目中進(jìn)行互動(dòng)，能夠為制造商和客戶(hù)提供更逼真的產(chǎn)品設計效果。
第二是在設備可視化方面，AR/VR技術(shù)可以幫助工程師更直觀(guān)地了解設備的工作原理和各個(gè)部件的位置。例如，VR可用于模擬制造過(guò)程，使工程師能夠識別設備放置或工作流程的潛在問(wèn)題。AR可用于設備實(shí)時(shí)信息的虛擬顯示，使技術(shù)人員能夠快速識別問(wèn)題并進(jìn)行維修，這有助于減少停機時(shí)間并提高設備性能。
第三在產(chǎn)線(xiàn)維護和裝配線(xiàn)優(yōu)化方面，通過(guò)VR技術(shù)模擬生產(chǎn)環(huán)境，制造公司可以提前找出潛在威脅并予以消除。通過(guò)與數字孿生技術(shù)結合，制造商可以提前測試各種不同的裝配線(xiàn)方案，在做出任何物理更改之前評估出優(yōu)秀方案。而通過(guò)模擬裝配線(xiàn)上產(chǎn)品和工人的移動(dòng)，制造商還可以識別潛在的碰撞或干涉，優(yōu)化物料和工人的流線(xiàn)。此外，通過(guò)模擬生產(chǎn)線(xiàn)布局變化的影響，制造商可以提前確定優(yōu)秀布局以使生產(chǎn)效率達到預期。
除了上述提到的應用方向外，在物流和倉儲管理、生產(chǎn)事故預防、安全培訓和資產(chǎn)追蹤等應用上，AR/VR技術(shù)也可以帶來(lái)效率和安全性的提高。
圖1：HoloLens 2在制造業(yè)中的應用
（圖源：微軟）
以上列舉的各種AR/VR技術(shù)在工業(yè)場(chǎng)景中的應用，絕非只是處于概念階段，而是已經(jīng)有實(shí)際的案例。
美國空客公司在裝配任務(wù)中利用Microsoft HoloLens 2 AR眼鏡來(lái)指導工人輕松訪(fǎng)問(wèn)視覺(jué)數據點(diǎn)，從而通過(guò)分步說(shuō)明簡(jiǎn)化復雜的裝配流程；邁凱倫的設計師利用AR/VR技術(shù)在逼真的沉浸式環(huán)境中進(jìn)行新車(chē)型的設計。
反觀(guān)國內，AR/VR技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)前景也是一路看漲，實(shí)際應用案例層出不窮，遍布工業(yè)應用各個(gè)方向。
國內企業(yè)應用
擁抱AR/VR技術(shù)革新
據億歐智庫預測，2025年中國AR/VR企業(yè)級應用市場(chǎng)規模將不低于931億元，其中工業(yè)制造領(lǐng)域市場(chǎng)規模將達到292億元，僅次于教育市場(chǎng)。而且從技術(shù)成熟度來(lái)看，遠高于其他應用市場(chǎng)方向，具備較高的商業(yè)變現可行性。
圖2：國內企業(yè)級AR/VR應用場(chǎng)景
（圖源：億歐）
在鋼鐵行業(yè)，寶武鋼鐵的AR智能運維系統，打造了全新的冶金業(yè)設備運維工作方式；在能源行業(yè)，正泰集團引入AR配電運維系統，實(shí)現新手員工的可視化指導；在紡織行業(yè)，國機集團武漢紡友引入VR系統，基于真實(shí)數據構建的虛擬現實(shí)系統可以逼真還原現實(shí)生產(chǎn)環(huán)節；在石化行業(yè)，東北石油局集成AR技術(shù)，有效釋放了專(zhuān)家資源；在家電行業(yè)，海爾引入AR首件質(zhì)檢系統，實(shí)現更準確高效的全數字化質(zhì)檢場(chǎng)景。
那么AR/VR技術(shù)是如何在這么多具體工業(yè)應用中發(fā)揮作用的呢？我們展開(kāi)海爾的例子來(lái)看一下。
在家電制造業(yè)，首件產(chǎn)品檢測對生產(chǎn)質(zhì)量把控意義重大。如果首件產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題不能及時(shí)發(fā)現，可能會(huì )導致企業(yè)后續整體產(chǎn)線(xiàn)整個(gè)批次的產(chǎn)品問(wèn)題，帶來(lái)重大損失。當前大多數工廠(chǎng)仍采用人工檢查和紙質(zhì)單據填報的方式，整個(gè)過(guò)程參與人員眾多，數據上傳滯后、效率極低。
圖3：海爾首件質(zhì)檢系統
（圖源：海爾）
海爾滾筒互聯(lián)工廠(chǎng)于2021年開(kāi)始引入AR首件質(zhì)檢系統，質(zhì)檢人員在質(zhì)檢過(guò)程中佩戴AR眼鏡，為其實(shí)時(shí)定位部件位置，提供檢驗內容、操作指導等數字信息；并且可以通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行整個(gè)質(zhì)檢系統的輸入、配置等交互操作。完成檢測之后，數據直接通過(guò)AR眼鏡上傳至AR首件質(zhì)檢系統的數據庫中，提高了質(zhì)檢可追溯能力，助力海爾在首件質(zhì)檢中效率提升。
IDC預測，2026年全球AR/VR總投資規模將增至747.3億美元，其中中國的投資規模將增至130.8億美元，為全球第二大單一國家市場(chǎng)。而隨著(zhù)AR/VR技術(shù)在工業(yè)應用中的普及，近兩年來(lái)工業(yè)元宇宙的概念也被頻頻提起。據TrendForce預測，工業(yè)元宇宙將推動(dòng)全球智能制造業(yè)在2025年達到5,400億美元的市場(chǎng)規模。
圖4：中國AR/VR市場(chǎng)支出預測
（圖源：IDC）
AR/VR交互的基礎
深度圖像的實(shí)時(shí)感知和捕捉
人眼晶狀體通過(guò)肌肉的伸縮和舒展，能夠自動(dòng)實(shí)現焦距調節，將遠近不同物體準確成像至視網(wǎng)膜上。雙眼在對同一個(gè)物體聚焦時(shí)，兩眼之間的物像差異就是雙眼視差。將此雙眼視差信息在大腦視覺(jué)皮層進(jìn)行處理，就可以讓我們判斷出到物體的實(shí)際距離。
我們是靠人眼來(lái)感知物理世界的深度信息，而AR/VR交互的基礎，則是通過(guò)深度相機來(lái)實(shí)現對于實(shí)境的圖像信息的捕捉。普通的相機拍攝的是二維的平面坐標信息，而深度相機能夠定位圖像中每一個(gè)點(diǎn)的深度數據，實(shí)現XYZ三維坐標信息的采集。
目前市面上常見(jiàn)的深度相機方案有三種，分別是結構光、雙目視覺(jué)和ToF。
結構光是通過(guò)光學(xué)手段獲取被拍攝物體的三維結構。首先近紅外激光器將具有一定結構特征的光線(xiàn)投射到被拍攝物體上，再由專(zhuān)門(mén)的紅外攝像頭對這些光線(xiàn)產(chǎn)生的不同圖像相位信息進(jìn)行采集，之后運算單元將這些返回的編碼圖案的畸變進(jìn)行算法計算，從而獲得物體的位置和深度信息。
ToF是通過(guò)測量光脈沖的飛行往返時(shí)間來(lái)計算距離。激光器發(fā)射的連續激光脈沖，碰到物體之后會(huì )反射回來(lái)，然后被接收器接收，通過(guò)計算往返的時(shí)間差來(lái)獲得物體具體位置信息。
雙目視覺(jué)也稱(chēng)雙目立體視覺(jué)，基本原理與人眼類(lèi)似。利用兩個(gè)傳感器獲取同一個(gè)被測物體的兩幅圖像，然后計算圖像對應點(diǎn)間的位置偏差，來(lái)獲取物體的三維信息。
圖5：雙目立體深度相機的工作原理
（圖源：www.revopoint3d.com)
這三種深度相機都可以獲得物體的三維信息，但各有優(yōu)劣。結構光深度相機精度較高，但需要較長(cháng)的曝光時(shí)間，因此不適用于高速運動(dòng)場(chǎng)景；但因其采用主動(dòng)光源形式，因此夜晚也可以正常工作；ToF深度相機能夠實(shí)時(shí)測量深度，并且探測距離更長(cháng)，但在明亮的光線(xiàn)條件下可能會(huì )受到干擾；雙目深度相機受到兩個(gè)傳感器之間的視差影響，對于較遠的物體位置檢測不夠準確，同時(shí)圖像信息處理的計算量較大。
在A(yíng)R/VR應用中，深度相機既可以實(shí)時(shí)跟蹤用戶(hù)的面部表情、頭部和手部動(dòng)作，以提高沉浸感和交互性，改善虛擬體驗；又可以獲取周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)深度信息，精確定位物體位置，使虛擬世界和現實(shí)世界的融合更加自然。
圖6：各種結構光和ToF深度相機的工作原理
（圖源：ResearchGate)
體積更小、更快開(kāi)發(fā)
更易集成的深度相機
要在整個(gè)系統中添加深度相機，既要考慮算法開(kāi)發(fā)和應用匹配，又要考慮功耗、體積和算力需求。如果能夠直接選擇一款完整成熟的深度相機方案，無(wú)縫地集成到現有的系統中，就可以加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，實(shí)現事半功倍的效果。
Intel RealSense立體視覺(jué)（雙目）深度相機系列，就是這樣一套成熟方案。據悉，該系列是市場(chǎng)上非常廣泛的深度攝像頭產(chǎn)品線(xiàn)，擁有一系列激光雷達、立體傳感器和跟蹤攝像頭，可在不同條件下的多種環(huán)境中運行。同時(shí)整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)中采用了統一的軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK)，這使得開(kāi)發(fā)人員能夠快速適應，在單一解決方案中輕松使用多個(gè)攝像頭，實(shí)現更快的產(chǎn)品上市時(shí)間。
Intel RealSense提供了多種不同的產(chǎn)品型號，但采用了統一的D4系列處理器。該處理器使用先進(jìn)的算法處理來(lái)自深度相機的原始圖像流，無(wú)需專(zhuān)用GPU或主機處理器即可計算高分辨率3D深度圖。將此視覺(jué)處理器添加到客戶(hù)的AR/VR、機器視覺(jué)系統中可以實(shí)現快速定制設計，從而為系統的主機處理器釋放更多帶寬。
圖7：Intel RealSense D4處理器
（圖源：Intel）
D405是整個(gè)Intel RealSense系列中，新推出的外型尺寸極小的一款深度相機，比一個(gè)高爾夫球還要小。該型號適用于短距離應用（7cm至50cm），能夠在7cm處檢測到500微米的小物體。該產(chǎn)品集成了可提供匹配RGB和深度數據的高分辨率、彩色、全局快門(mén)深度傳感器，并通過(guò)圖像信號處理器(ISP)對來(lái)自深度傳感器的RGB數據進(jìn)行增強。
圖8：Intel RealSense D405拆解圖
（圖源：Intel）
在貿澤電子搜索料號“82635DSD405”，就可以獲取關(guān)于Intel RealSense D405的更多詳細信息。
而除了深度相機外，通常在A(yíng)R/VR設備中，也會(huì )集成IMU或三軸加速度計這一關(guān)鍵器件。IMU即慣性測量單元（Inertial Measurement Unit），在頭戴設備中用于追蹤用戶(hù)頭部的旋轉角度和傾斜運動(dòng)；在手柄和控制器上用于跟蹤手部動(dòng)作，實(shí)現自然的手勢控制；在VR應用上，IMU還可以用于實(shí)時(shí)模擬重力、物體運動(dòng)和物理互動(dòng)。
圖9：Intel RealSense 系列對比
（圖源：Intel）
在Intel RealSense的多款型號中，更是直接在相機內部集成了IMU單元。如果想要在系統中添加更多的動(dòng)作識別和肢體跟蹤的功能，還可以再多集成一個(gè)三軸加速度計。在此我們推薦來(lái)自NXP Semiconductors的一款低功耗12位數字加速度計，具體型號為“FXLS8967AFR3”，可以直接在貿澤電子搜索了解更多詳情。
結語(yǔ)
隨著(zhù)AR/VR技術(shù)在工業(yè)應用上的普及，以及與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造和數字孿生等技術(shù)的深度融合，工業(yè)制造將會(huì )迎來(lái)新一輪的生產(chǎn)效率提升。在不遠的未來(lái)，工業(yè)元宇宙或將成為現實(shí)。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
